(57)【要約】  内燃機関用のピストンおよびその構築方法が提供される。ピストンは、第１の金属材料および熱絶縁性インサートによって少なくとも部分的に形成される上部クラウンを備える。上部クラウンは、上部燃焼表面を形成する上壁と、リングベルト領域とを有する。上部燃焼表面は、熱絶縁性インサートによって少なくとも部分的に形成される。熱絶縁性インサートは、その中に上方向に延在する細孔を有する基面を有する。第１の金属材料は、細孔の中に注入され、固化される。第１の金属材料は、第１の結合表面を形成する。ピストンは、第２の金属材料から形成される本体部分をさらに含む。本体部分は、同軸上に位置合わせされたピンボアを有するピンボスと、直径方向に対向するスカート部分とを提供する。本体部分は、第１の金属材料の第１の結合表面に結合される第２の結合表面を有する。
2019510922.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関用のピストンであって、
第１の金属材料および熱絶縁性インサートによって少なくとも部分的に形成される上部クラウンを備え、前記上部クラウンは、上部燃焼表面を形成する上壁を有し、前記上壁から垂下するリングベルト領域を有し、前記リングベルト領域は、複数のリング溝を有し、前記上部燃焼表面は、前記熱絶縁性インサートによって少なくとも部分的に形成され、前記熱絶縁性インサートは、基面を有し、細孔が前記基面の中へ上方向に前記上部燃焼表面に向かって延在し、前記第１の金属材料は、前記細孔の中に注入され、固化されて前記第１の金属材料を前記熱絶縁性インサートに結合し、前記第１の金属材料は、第１の結合表面を形成し、前記ピストンはさらに、
前記第１の金属材料とは別の第２の金属材料から形成される本体部分を備え、前記本体部分は、同軸上に位置合わせされたピンボアを有するピンボスと、直径方向に対向するスカート部分とを形成し、前記本体部分は、前記第１の金属材料の前記第１の結合表面に結合される第２の結合表面を有する、ピストン。
【請求項２】
前記細孔は、多孔性を有する前記熱絶縁性インサートを提供し、前記多孔性は、前記基面から前記上部燃焼表面に向かって減少する、請求項１に記載のピストン。
【請求項３】
前記細孔は、非対称に形作られてスポンジ状の外観を有する前記多孔性を提供する、請求項２に記載のピストン。
【請求項４】
前記上部燃焼表面は、全体的に前記熱絶縁性インサートから形成される、請求項１に記載のピストン。
【請求項５】
前記第１の金属材料は、前記上部燃焼表面の一部を形成する、請求項１に記載のピストン。
【請求項６】
前記上壁は、前記上部燃焼表面から離れるように面する露出した下方クラウン表面を有し、前記下方クラウン表面は、前記熱絶縁性インサートによって少なくとも部分的に形成される、請求項１に記載のピストン。
【請求項７】
前記第１の金属材料および前記第２の金属材料は、同じタイプの金属材料である、請求項１に記載のピストン。
【請求項８】
前記第１の金属材料および前記第２の金属材料は、アルミニウム系材料である、請求項７に記載のピストン。
【請求項９】
前記第１の金属材料および前記第２の金属材料は、鉄系材料である、請求項７に記載のピストン。
【請求項１０】
前記第１の金属材料および前記第２の金属材料は、マグネシウム系材料である、請求項７に記載のピストン。
【請求項１１】
前記第１の金属材料および前記第２の金属材料は、チタン系材料である、請求項７に記載のピストン。
【請求項１２】
前記第１の金属材料の前記熱絶縁性インサートへの結合を容易にするための、前記空隙内部の前記熱絶縁性インサートに結合される金属コーティング層をさらに含む、請求項１に記載のピストン。
【請求項１３】
前記第１の金属材料は、前記リングベルト領域の少なくとも一部を形成する、請求項１に記載のピストン。
【請求項１４】
前記第２の金属材料は、前記リングベルト領域の少なくとも一部を形成する、請求項１に記載のピストン。
【請求項１５】
前記第１の金属材料は、前記第２の金属材料に溶接される、請求項１に記載のピストン。
【請求項１６】
前記第２の金属材料は、前記第１の金属材料の周りにキャスト加工される、請求項１に記載のピストン。
【請求項１７】
セラミック材料から、基面および上部燃焼表面の少なくとも一部を提供する反対側の表面を有し、前記基面の中へ上方向に前記上部燃焼表面に向かって延在する細孔を有する、熱絶縁性インサートを形成することと、
第１の金属材料を前記細孔の中へ注入し、前記第１の金属材料を固化して前記第１の金属材料を前記熱絶縁性インサートに結合し、第１の結合表面を有する前記第１の金属材料を形成することと、
第２の金属材料から、同軸上に位置合わせされたピンボアを有するピンボスおよび直径方向に対向するスカート部分および第２の結合表面を有する本体部分を形成することと、
前記第１の金属材料の前記第１の結合表面を前記本体部分の前記第２の結合表面に結合することとを備える、内燃機関用のピストンを構築する方法。
【請求項１８】
細孔性が前記基面から前記上部燃焼表面に向かって減少する前記細孔を形成することをさらに含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
非対称の形状のスポンジ状の外観を有する前記細孔を形成することをさらに含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記熱絶縁性インサートを形成して前記上部燃焼表面の全体を提供することをさらに含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項２１】
前記第１の金属材料を形成して前記上部燃焼表面の一部を提供することをさらに含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項２２】
前記熱絶縁性材料を形成して前記上部燃焼表面の反対側の下方クラウン表面の少なくとも一部を提供することをさらに含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項２３】
同じタイプの金属材料である前記第１の金属材料および前記第２の金属材料を提供することをさらに含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項２４】
前記第１の金属材料および前記第２の金属材料をアルミニウム系材料として提供することをさらに含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項２５】
前記第１の金属材料および前記第２の金属材料を鉄系材料として提供することをさらに含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項２６】
前記第１の金属材料および前記第２の金属材料をマグネシウム系材料を提供することをさらに含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項２７】
前記第１の金属材料および前記第２の金属材料をチタン系材料として提供することをさらに含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項２８】
金属コーティング層を前記空隙内部の前記熱絶縁性材料に結合して前記第１の金属材料を前記熱絶縁性材料に結合することを容易にすることをさらに含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項２９】
第１の金属材料を形成してリングベルト領域の少なくとも一部を提供することをさらに含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項３０】
前記第２の金属材料を形成してリングベルトの少なくとも一部を提供することをさらに含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項３１】
前記第１の金属材料を前記第２の金属材料に溶接することによって前記結合を行うことをさらに含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項３２】
前記第１の金属材料の周りに前記第２の金属材料をキャスト加工することによって前記結合を行うことをさらに含む、請求項１７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
この出願は、２０１６年４月５日に提出された米国仮出願番号第６２／３１８，３５３号、および２０１７年４月５日に提出された米国特許出願番号第１５／４８０，０６６号の利益を主張し、参照によりその内容全体がここに組み込まれる。
【０００２】
本発明の背景
１．技術分野
この発明は、概して、内燃機関用のピストンに、およびそれらの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
２．関連技術
ますます厳しくなる排出物および燃料経済の法令の結果、現代の軽量車両ディーゼルエンジンはより効率的に走らなければならない。加えて、エンジン製造者は、中速度のディーゼルエンジンが近い将来、一次的な動力源となるだろうということを示唆している。このようなエンジンに関連する１つの挑戦は、すでに４５％を超えるブレーキ熱効率（ＢＴＥ（brake thermal efficiency））を向上させる必要性である。このようなエンジンは、より大きなブレーキ熱効率を獲得するために、より熱くより高いピーク圧力で運転しなければならない。燃焼室を通した熱損失は、これらの増加した要求の下で問題となる。典型的には、利用可能な燃料エネルギの４〜６％が熱としてエンジンのピストンを通して冷却システムへ失われる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
良好なＢＴＥを有することが知られるエンジンは、５０％〜５５％のＢＴＥで運転する、メートルサイズの大きなボア（ＬＢ（large bore））／低スピード（５０  −７０＋  ＲＰＭ）ディーゼルエンジンである。しかしながら、約６０％である等価な理想的なエアーサイクルによって与えられる、これらの有限拡大のエンジンのＢＴＥがどのくらい高くなり得るかについての熱力学的制限が存在する。したがって、エンジン自体を往復することから予測される増加する利得は１桁である。ここでは収穫逓減の法則がよく立証される。これらのエンジンが、９０％以上のシステム全体のＢＴＥが証明される化合物熱およびパワーモードで作動する場合、大幅な改良が可能であるにすぎない。熱伝達プロセスは、最高温度および最低温度での源間で行われるとき、最も効率的である。このため、パワーシリンダユニット（ＰＣＵ）における部品へのエネルギ損失は、可能な範囲で回避されるべきであり、そのエネルギは、排気ガスを通じてその最高温度で利用可能とされなければならない。
【０００５】
改良されたブレーキ熱効率の目標を達成するために、たとえば低い熱伝導係数を有するセラミック材料で、ピストンのクラウンを絶縁することが提案されてきた。歴史的には、これは、セラミック材料と金属材料との異なる熱膨張係数、およびセラミック材料の脆性のために、非常に複雑で一時的な解決方法であった。
【０００６】
１つの提案された解決方法は、ＮｉＣｒＡｌＹなどの結合コーティングの頂部上の部分安定化ジルコニア（ＰＳＺ（partially stabilized zirconia））などの、薄い段階的なセラミックコーティングである。しかしながら、このタイプのコーティングは、典型的にはせいぜい１０，０００時間以下の限られた寿命を有する。セラミックコーティングは、繰り返しの曲げ（bending）／屈曲（flexing）およびディーゼル燃焼の爆発性のために、ピストンを浸食／剥離する傾向にもある。加えて、注入された燃料は、セラミックコーティングの細孔に取り込まれ、次いでコーティングを粉々にしながら爆発し得る。このため、このようなコーティングは、２０，０００〜６０，０００時間の範囲にある典型的な寿命（整備間の時間）を有するエンジンにおける使用には不向きである。
【０００７】
セラミックコーティングの代替物は、セラミックパックなどのセラミックの一体片を金属基板に機械的に固定することであり、セラミックパックは、適正な燃焼室形状に前形成される、または加工される。しかしながら、単に機械的手段によってセラミックパックを固定することは複雑で費用がかかる設計を要求するだけでなく、セラミックおよび金属の部分は要求されるよりもはるかに早く上昇動作温度で分離される傾向もある。アルミニウムは上昇温度でパックを維持するのに必要な強度を提供し得ないため、セラミックパックがアルミニウムで形成される基板に取り付けられたとき、セラミックパックは典型的には分離する。基板がキャスト加工された鉄または鋼鉄である場合、セラミックパックは圧縮応力下に維持されなければならず、セラミックパックを金属基板に取り付けることによるピストンを形成する製造しやすい方法が存在しないという問題をさらに与える。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の概要
本発明の１つの局面は、ディーゼルエンジンのブレーキ熱効率を増加させる製造しやすい熱的に絶縁されたピストンを提供する。ピストンは、上部クラウンの少なくとも一部を形成する熱絶縁性インサートを含む。熱絶縁性インサートは、インサートの基面からインサートの上部燃焼表面に向かって延在するスポンジ状構造または中空の根もしくは血管の形状を有する細孔を有する。セラミック材料内の細孔は、溶けた第１の金属がインサートの細孔の中でインサートと固定されるように固化するように、構築の間に溶けた第１の金属材料を注入される。熱絶縁性インサートの多孔性は、基面から上部燃焼表面に向かって減少するため、上部燃焼表面は全体的にセラミックであり空隙を有さず、基面は主に空隙を有して開いており金属材料を注入される。熱絶縁性インサートの基面に結合される第１の金属材料は、ピンボスおよびスカートパネルを含むピストンの残りの部分を形成するための第２の金属材料で形成される基板に取り付けられる。
【０００９】
本発明の別の局面は、第１の金属材料を熱絶縁性インサートの細孔の中へ注入し、熱絶縁性インサートは上部燃焼表面の少なくとも一部を形成し、その後下部の金属本体部分を第１の金属材料に結合してピンボスおよびスカートパネルを含むピストンの残りの部分を形成することによる、ピストンを構築する方法を提供する。
【００１０】
第１の金属材料と熱絶縁性材料との間の強固な信頼性のある結合の形成を容易にすることは別として、熱絶縁性インサートのスポンジ状の開いた細孔構造は、セラミック材料と金属材料との間の熱特性の不整合を緩和し、ひいては典型的にはこのようなスポンジ状の開いたコア構造を有しないセラミック材料を金属材料およびコーティングで結合しようとすることと関係する問題、たとえば層間剥離、剥離、低断熱性、および剥落を回避する。熱絶縁性インサートのスポンジ状の開いた細孔構造は、機械的応力が収容され中和され得ることを通して、注入された金属材料が結合するための接触の増加された表面積も提供する。このため、結果として生じるピストンは、このようなスポンジ状の開いた細孔構造を有しない比較対象のセラミックコーティングされたピストンの寿命予測を超えることが期待される。ピストンは、また、残りの燃料の使用も可能にし、高温腐食を抑制し、酸化を抑制し、着火遅れを低減し、化合物熱およびパワーコンセプトのための気流の燃料エネルギを維持する。
【００１１】
本発明の１つの局面に従えば、内燃機関用のピストンは、第１の金属材料および熱絶縁性インサートによって少なくとも部分的に形成される上部クラウンを含む。上部クラウンは、上部燃焼表面を形成する上壁を有し、上壁から垂下するリングベルト領域を有する。リングベルト領域は複数のリング溝を有し、上部燃焼表面は、熱絶縁性インサートによって少なくとも部分的に形成される。熱絶縁性インサートは、その中へ上方向に上部燃焼表面に向かって延在する細孔を有する基面を有する。第１の金属材料は、細孔の中に注入され、固化されて第１の金属材料を熱絶縁性インサートに結合する。第１の金属材料は、第１の結合表面を形成する。ピストンは、第１の金属材料とは別の第２の金属材料から形成される本体部分をさらに含む。本体部分は、同軸上に位置合わせされたピンボアを有するピンボスと、直径方向に対向するスカート部分とを提供する。本体部分は、第１の金属材料の第１の結合表面に結合される第２の結合表面を有する。
【００１２】
本発明の別の局面に従えば、細孔は、基面から上部燃焼表面に向かって体積が減少するため、上部燃焼表面は基部に対して密度が高い。
【００１３】
本発明の別の局面に従えば、細孔は、非対称に形作られてスポンジ状の外観を有する前記多孔性を提供し、これにより増加された表面積を有する第１の金属材料が取り付けられる表面を提供して熱絶縁性材料と第１の金属材料との間に形成される信頼性のある強固な結合を保証する。
【００１４】
本発明の別の局面に従えば、上部燃焼表面は、全体的に熱絶縁性インサートから形成され得る。
【００１５】
本発明の別の局面に従えば、第１の金属材料は、上部燃焼表面の一部を形成し得る。
本発明の別の局面に従えば、上壁は、上部燃焼表面から離れるように面する露出した下方クラウン表面を有し、下方クラウン表面は、熱絶縁性材料によって少なくとも部分的に形成され得る。
【００１６】
本発明の別の局面に従えば、第１の金属材料および第２の金属材料は、同じタイプの金属材料として提供され得る。
【００１７】
本発明の別の局面に従えば、第１の金属材料および第２の金属材料は、アルミニウム系材料、鉄系材料、マグネシウム系材料、およびチタン系材料のうちの１つとして提供され得る。
【００１８】
本発明の別の局面に従えば、第１の金属材料の熱絶縁性材料への結合を容易にするために、金属コーティング層が空隙内部の熱絶縁性材料に結合され得る。
【００１９】
本発明の別の局面に従えば、第１の金属材料は、リングベルト領域の少なくとも一部を形成し得る。
【００２０】
本発明の別の局面に従えば、第２の金属材料は、リングベルト領域の少なくとも一部を形成し得る。
【００２１】
本発明の別の局面に従えば、第１の金属材料は、第２の金属材料に溶接され得る。
本発明の別の局面に従えば、第２の金属材料は、第１の金属材料の周りにキャスト加工され得る。
【００２２】
本発明の別の局面に従えば、内燃機関用のピストンを構築する方法が提供される。当該方法は、セラミック材料から、基面および上部燃焼表面の少なくとも一部を提供する反対側の表面を有し、基面の中へ上方向に上部燃焼表面に向かって延在する細孔を有する、熱絶縁性インサートを形成することを含む。さらに、第１の金属材料を細孔の中へ注入し、第１の金属材料を固化して第１の金属材料を熱絶縁性インサートに結合し、第１の結合表面を有する第１の金属材料を形成することを含む。またさらに、第２の金属材料から、同軸上に位置合わせされたピンボアを有するピンボスおよび直径方向に対向するスカート部分および第２の結合表面を有する本体部分を形成する。その後、第１の金属材料の第１の結合表面を本体部分の第２の結合表面に結合する。
【００２３】
本発明の別の局面に従えば、当該方法は、多孔性が基面から上部燃焼表面に向かって減少する細孔を形成することをさらに含み得る。
【００２４】
本発明の別の局面に従えば、当該方法は、非対称の形状のスポンジ状の外観を有する細孔を形成することをさらに含み得る。
【００２５】
本発明の別の局面に従えば、当該方法は、熱絶縁性インサートを形成して上部燃焼表面の全体を提供することをさらに含み得る。
【００２６】
本発明の別の局面に従えば、当該方法は、第１の金属材料を形成して上部燃焼表面の一部を提供することをさらに含み得る。
【００２７】
本発明の別の局面に従えば、当該方法は、熱絶縁性インサートを形成して上部燃焼表面の反対側の下方クラウン表面の少なくとも一部を提供することをさらに含み得る。
【００２８】
本発明の別の局面に従えば、当該方法は、同じタイプの金属材料である第１の金属材料および第２の金属材料を提供することをさらに含み得る。
【００２９】
本発明の別の局面に従えば、当該方法は、第１の金属材料および第２の金属材料を、アルミニウム系材料、鉄系材料、マグネシウム系材料、およびチタン系材料のうちの１つとして提供することをさらに含み得る。
【００３０】
本発明の別の局面に従えば、当該方法は、金属コーティング層を空隙内部の熱絶縁性材料に結合し、その後第１の金属材料を金属コーティング層に結合することをさらに含み得る。
【００３１】
本発明の別の局面に従えば、当該方法は、第１の金属材料を形成してリングベルト領域の少なくとも一部を提供することをさらに含み得る。
【００３２】
本発明の別の局面に従えば、当該方法は、第２の金属材料を形成してリングベルト領域の少なくとも一部を提供することをさらに含み得る。
【００３３】
本発明の別の局面に従えば、当該方法は、第１の金属材料を第２の金属材料に溶接することをさらに含み得る。
【００３４】
本発明の別の局面に従えば、当該方法は、第１の金属材料の周りに第２の金属材料をキャスト加工することをさらに含み得る。
【００３５】
本発明のこれらのおよび他の局面、特徴ならびに利点は、以下の詳細な説明、添付の請求項および添付の図面と結び付けて考慮されたとき、より容易に理解されるだろう。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の１つの局面に従って構築されるピストンの斜視図である。
【図２】本発明の別の局面に従って構築されるピストンの中心長手方向軸に概ね沿った断面図である。
【図２Ａ】本発明のさらに別の局面に従って構築されるピストンの図２に類似の図である。
【図２Ｂ】本発明のさらなる局面に従って構築されるピストンの図２に類似の図である。
【図２Ｃ】本発明のさらなる局面に従って構築されるピストンの図２に類似の図である。
【図２Ｄ】本発明のさらなる局面に従って構築されるピストンの図２に類似の図である。
【図２Ｅ】本発明のさらなる局面に従って構築されるピストンの図２に類似の図である。
【図３】本発明の別の局面に従って構築されるピストンの上部燃焼表面の部分断面図である。
【図３Ａ】本発明のさらに別の局面に従って構築されるピストンの上部燃焼表面の図３に類似の図である。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
現在好ましい実施形態の詳細な説明
図面をより詳細に参照すると、図１は、本発明の１つの局面に従って構築されるピストン１０を示す。ピストン１０は、ディーゼル燃焼エンジンによく適しており、エンジンのブレーキ熱効率（ＢＴＥ）を増加させることを可能にする。ピストン１０は、以下で説明されるように、および現在好ましい実施形態の異なる図２〜図３Ａに示されるように、様々な異なる設計および構成を備え得る。異なる実施形態は、互いに異なる実施形態を表すために必要に応じてそれぞれのプライム記号（’、’’、’’’、’’’’、’’’’’）でオフセットされる、同一の参照符号１０によって示される。
【００３８】
１つの例示の実施形態のピストン１０は、特定の車両用途の要求のために所望されるとおりに、例示であって限定ではないが、鉄系材料、アルミニウム系材料、マグネシウム系材料、および／または、チタン系合金を含む別の金属などの金属材料で、少なくとも部分的に各々形成される、上部クラウン１２と本体部分１４とを含む。要求の厳しい用途においては、金属材料として、４１４０鋼などの鋼鉄が好ましくは用いられる。物理的にあまり要求が厳しくない用途では、マグネシウム合金またはアルミニウム合金が用いられてもよい。上部クラウン１２は、燃焼室に対して直接曝される露出した上部燃焼表面１６を形成する上壁１５と、上部燃焼表面１６から離れるように面する下方クラウン表面１９とを含む。上部クラウン１２は、上壁１５から垂下しエンジン動作の間にシリンダライナに係合する周知のタイプのピストンリング（図示せず）を含むための複数のリング溝１８を提供するリングベルト領域１７をさらに含む。ピストン１０の本体部分１４は、ピストン１０が使用の際往復する中心長手方向軸Ａに沿って延在し、ピンボア２２を各々規定する一対のピンボス２０を含む。ピンボス２０は、ピンボア２２が互いに同軸上に位置合わせされるように互いに横方向に離間される。直径方向に対向するスカートパネル２４は、ピンボス２０間に延在する。
【００３９】
ピストン１０は、ピストン１０がディーゼルエンジンに用いられるときにピストン１０を通した熱損失を低減するために、熱絶縁性インサート２６も含む。インサートは、意図された用途のために所望されるとおりに、異なる構成を取り得る。いくつかの異なる構成が、様々なピストン１０’（図２Ａ）、１０’’（図２Ｂ）、１０’’’（図２Ｃ）、１０’’’’（図２Ｄ）、１０’’’’’（図２Ｅ）に示され、インサートは、それぞれのプライム記号（’、’’、’’’、’’’’、’’’’’）によってオフセットされた同一の参照符号２６によって示される。熱断効果によって、ピストン１０，１０’，１０’’，１０’’’，１０’’’’，１０’’’’’を通した熱損失は、同様の構成を有するがインサート２６，２６’，２６’’，２６’’’，２６’’’’，２６’’’’’を有しないピストンと比較して低減され、したがって燃焼の温度およびブレーキ熱効率は上昇する。
【００４０】
熱絶縁性インサート２６，２６’，２６’’，２６’’’，２６’’’’，２６’’’’’は、セラミック材料または熱絶縁性複合体の混合物で形成される。以下の説明は、簡単のために単一の参照符号２６によってインサートを表すが、特にことわりのない限り、説明は各インサート２６，２６’，２６’’，２６’’’，２６’’’’，２６’’’’’に関することが認識されるべきである。熱絶縁性インサート２６は、上部クラウン１２の少なくとも一部および上部燃焼表面１６の少なくとも一部を形成する。熱絶縁性インサート２６は、たとえば図３および図３Ａの拡大側面断面図に最もよく示されるような、スポンジ状構造または非対称の根もしくは血管の形状および外観を有し、インサート２６の最も下側の基面３０から上部燃焼表面１６に向かって上方向に延在するが、上部燃焼表面に達する直前で止まる、複数の細長い曲がりくねった細孔２８を含む。したがって、細孔２８は、長手方向軸Ａに概ね沿った断面の図のように非対称の形状であり、非対称性は、本発明の別の局面に従って構築される方法によるものである。
【００４１】
セラミック材料の細孔２８は、好ましくは後の動作でピストン１０の残りの本体部分１４を形成するために用いられる第２の金属材料と同じタイプの金属材料である、第１の金属材料３２を注入され、第１の金属材料３２で満たされる。熱絶縁性インサート２６の細孔性は、基面３０から上部燃焼表面１６へ減少するため、上部燃焼表面１６は全体的にセラミックであり細孔を有しない一方、基面３０は主に多孔性である。細孔性は、基面３０から上部燃焼表面１６に向かって徐々に減少する。
【００４２】
熱絶縁性インサート２６は、基面３０が少なくとも部分的にまたは完全に第１の金属材料３２で覆われるように、第１の金属材料３２を注入される。熱絶縁性インサート２６の基面３０に結合される第１の金属材料３２は、その後、ピストン１０の残りの本体部分１４を形成する第２の金属材料３４に取り付けられる。１つの実施形態によれば、図２に示されるように、第１の金属材料３２は、基面３０の一部に沿って結合されて内側リブ４０と外側リブ４２の各々の端部において同心の環状の第１の結合表面４１を形成するように示される。第１の金属材料３２は、例示であって限定ではないが、摩擦溶接もしくはハイブリッド誘導溶接、パルスデトネーション、または別の方法を介するなどして、上部クラウン１２および本体部分１４の内側リブおよび外側リブのそれぞれの結合表面４１，４３間に溶接接合３８を形成することなどによって、本体部分１４を形成する第２の金属材料３４の同心の環状の内側リブ４４および外側リブ４６の端部における第２の結合表面４３に接合される。熱絶縁性インサート２６は、上部燃焼表面１６、および内側リブ４０，４４から径方向内側に延在する下方クラウン表面１９の全体を形成するように示されているが、これは例示であって限定ではない。別の実施形態では、図２Ａに示されるように、ピストン１０’は図２のピストン１０に類似するが、熱絶縁性インサート２６は最上のピストンリング溝１８を形成するように示される一方、下側のピストンリング溝１８は第１の金属材料３２および第２の金属材料３４によって形成されるように示される。さらに別の実施形態では、図２Ｂに示されるように、ピストン１０’’もまたピストン１０に類似し、熱絶縁性インサート２６が上部燃焼表面１６の全体を形成するが、ピストン１０とは異なり、内側リブ４０，４４の径方向内側に延在する下方クラウン表面１９は、熱絶縁性インサートの基面３０の下全体が完全に第１の金属材料３２に覆われるように第１の金属材料３２によって形成される。さらに別の実施形態では、図２Ｃに示されるように、ピストン１０’’’はピストン１０’に類似し、熱絶縁性インサート２６が上部燃焼表面１６の全体および最上のリング溝１８を形成するが、ピストン１０’とは異なり、内側リブ４０，４４の径方向内側に延在する下方クラウン表面１９は、熱絶縁性インサートの基面３０の下全体が第１の金属材料３２に覆われるように第１の金属材料３２によって形成される。さらに別の実施形態では、図２Ｄに示されるように、ピストン１０’’’’もまたピストン１０に類似し、熱絶縁性インサート２６が上部燃焼表面１６の全体を形成するが、ピストン１０とは異なり、内側リブ４０，４４の径方向内側に延在する下方クラウン表面１９は、少なくとも部分的に第１の金属材料３２によって、かつ少なくとも部分的に熱絶縁性インサート２６によって形成される。このように、熱絶縁性インサートの基面３０の下の一部は、開かれて露出しており、熱絶縁性インサートの基面３０の下の一部は、第１の金属材料３２に覆われる。示される実施形態では、第１の金属材料３２は、内側リブ４０，４４から上部燃焼表面１６のピークの下の第１の金属材料３２に形成される小さな開口領域または開口部５０まで径方向内側に延在する。開口部５０は、約１／２ｍｍなど所望の通りに小さくされ得、または所望の通りに大きくされ得るとともに、下方クラウン表面１９上に第１の金属材料３２の少なくとも一部を維持する。したがって、第１の金属材料３２によって提供される熱絶縁性材料２６を支持するという利益が実現され得るとともに、高温耐性の熱絶縁性材料３２を下方クラウン表面１９上で少なくとも部分的に露出させることからも利益を得る。さらに、別の実施形態では、図２Ｅに示されるように、ピストン１０’’’’’もまたピストン１０に類似するが、上部燃焼表面１６の全体を形成する熱絶縁性インサート２６よりもむしろ、熱絶縁性インサート２６は、上部燃焼表面１６の中央部分として示され燃焼ボウル領域４８を形成するように示される部分のみを形成する。加えて、第１の金属材料３２は、下方クラウン表面１９を形成するように示されるが、径方向にリングベルト領域１７の外面の直前で止まるため、第２の金属材料がリングベルト領域１７の全体、および上部燃焼表面１６の最外の環状部分を形成する。図２Ｅの実施形態では、第２の金属材料３４は、図２〜図２Ｄに示されるように溶接されるよりはむしろ、熱絶縁性インサート２６に注入され結合される第１の金属材料３２の周りにキャスト加工され得る。このように、この場合、第２の金属材料３４は、熱絶縁性インサート２６の周りに外側キャストシェルを形成する。キャスト加工された第２の材料３４の第２の結合表面４３は、第１の金属材料３２の第１の結合表面４１に結合される。第２の金属材料３４は、リングベルト領域１７の全体を形成する。しかしながら、熱絶縁性インサート２６の上部燃焼表面１６の少なくとも重要な部分は、露出した状態を残し、燃焼ボウル領域４８の全体または実質的に全体を覆うように示される。
【００４３】
絶縁性インサート２６のセラミック材料の細孔２８に金属材料を注入することは、セラミック材料と金属材料との間の熱特性の不整合を緩和する。このため、層間剥離および剥落の問題が回避される。熱絶縁性インサート２６を形成するために、様々な異なるセラミック組成物が用いられ得る。セラミック材料は、典型的には、厚さが数ミリメートルである。セラミック材料は、また、好ましくはキャスト加工可能かつ機械加工可能であり、再入可能なボウルおよびバルブポケットなど、異なる形状が実現可能となる。熱絶縁性インサート２６を形成するのに用いられ得る例示の材料は、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）および窒化ケイ素セラミック（ＳｉＮ4）を含む。代替的には、炭素−炭素混合物もしくは熱分解された組成物、またはフェノール性もしくはエポキシを含む強化繊維および無機繊維などの熱硬化性ポリマーなど、低熱伝導率を有する材料の複合混合物が、熱絶縁性インサート２６を形成するために用いられてもよい。例示の実施形態では、熱絶縁性インサート２６は、セラミック材料の一体片である。好ましくは、セラミック材料は、燃焼に曝される上部燃焼表面１６において、純粋であり、ゼロ多孔性セラミックに近く、剥離がなく最大の断熱性のために長寿命を保証する。このため、その高温性能、科学的不活性、ピストン１０の圧縮状態のおかげで、屈曲／曲げ／剥離が防がれ、最小化される。インサート２６の細孔２８によって提供される多くの結合は、融解された第１の金属材料３２がその中に流れ、固化してセラミックパックインサート２６との強固な信頼性のある結合を形成することを可能にする。細孔２８の曲がりくねった非対称な壁との組み合わせでの第１の金属材料３２の固化された根のような突起は、互いに軽く固定され結合される表面を形成してその間の分離に抵抗し、これは細孔２８が滑らかで対称的な表面を有する場合には可能ではないことが認識されるべきである。
【００４４】
熱絶縁性インサート２６は、所望の多孔性、テクスチャ、および注入された第１の金属材料３２に対する境界を提供する基面３０に沿った形状を提供する焼結プロセスを用いて形成される。上部燃焼表面１６、基面３０、および他の表面の形状は、第１の金属材料３２を細孔２８の中へ注入する前に、熱絶縁性インサート２６に予め形成され得る。代替的には、上部燃焼表面１６、基面３０、および他の表面の形状は、熱絶縁性インサート２６が第１の金属材料３２を注入された後に、機械加工または別の方法で形成され得る。いくつかの実施形態では、図２、図２Ａおよび図２Ｄに示されるように、熱絶縁性インサート２６，２６’，２６’’’’の基面３０は、ピストン１０の露出した下方クラウン表面１９の少なくとも一部を形成する。
【００４５】
図３Ａに示されるように、熱絶縁性インサート２６は、セラミックまたは複合材料と融解された第１の金属材料３２との間の結合を向上させるために、基面３０に、および／または、熱絶縁性インサート２６の細孔２８を画定する絶縁性材料２６の内面に適用および結合される金属コーティング３６も含み得る。たとえば、その中に延在する細孔２８を含む基面３０は、ＰＶＤ、熱溶射によって金属化されてもよく、または無電解ニッケルコーティングされてもよい。
【００４６】
本発明の別の局面は、熱絶縁性インサート２６を含むピストン１０を構築する方法を提供する。当該方法は、典型的には、セラミックまたは複合材料から熱絶縁性インサート２６を形成することによって始まる。例示の実施形態では、熱絶縁性インサート２６は、多孔性塩コアともよばれる塩プリルの多孔性ネットワークの周りにセラミックまたは複合材料をキャスト加工することによって形成される。例示の方法は、塩の重さを計ることと、（所望のとおりの形状の）ビーカまたは他の好適な容器もしくは型に塩を配置することと、塩をマクロ多孔性の上部領域および密に充填された下側を有する３次元塩コアの形状に形成することとを含む。当該方法は、たとえば数時間の期間の間、湿度の高い大気中に塩を置き、その後塩をオーブンで乾燥させて仕上げられた多孔性の塩コアを形成することをさらに含む。１つの実施形態に従った塩コアの組成は、硝酸ナトリウム（ＮａＮＯ3）で形成され得るが、これは例示であって限定ではない。
【００４７】
例示の実施形態の方法は、次に、塩コアの周りに２つの部分からなるセラミック混合物をキャスト加工することと、真空デシケータでキャスト加工されたセラミック混合物を硬化することを含む。硬化は、セラミックの組成および塩の融解温度に応じて、室温でまたは最大３００℃の上昇温度で行われ得る。キャスト加工ステップは、上部燃焼表面１６、基面３０、または他の表面を、所望の仕上げ形状、または次に機械加工されることになる形状を含む所望の形状に形成することを含み得る。キャスト加工ステップ後に残る塩は、超音波槽を用いて、または別の方法で、次いで乾燥して、硬化されたセラミック材料から溶出され得る。塩が溶出し、または別の方法で除去された後、残りの熱絶縁性インサート２６は、細孔２８を提供するマクロ多孔性の下側および細孔２８がないまたは実質的にない密な上部領域を有する。
【００４８】
当該方法は、次に、第１の金属材料が融解され、溶かされた状態である間に、第１の金属材料３２を熱絶縁性インサート２６の細孔２８の中へ注入することを含む。融解された第１の金属材料３２は、フォーシングラム（forcing ram）、重力、スクイズキャスト機械、または典型的な鍛造型を用いて、熱絶縁性インサート２６の中へ流れるように注入され得る。第１の金属材料３２が鋼鉄であるとき、典型的には鍛造が行われる。第１の金属材料３２がアルミニウムであるとき、典型的にはキャスト加工が行われる。
【００４９】
例示の方法の注入ステップは、熱絶縁性インサート２６を型に配置することと、融解された第１の金属材料３２を型の中へ注ぐことと、第１の融解された金属材料３２を熱絶縁性材料２８の細孔２８の中へ押し込むまたは注入することと、第１の材料３２が固化するまで熱絶縁性インサート２６を型に維持することとを含む。第１の金属材料３２は、型で好ましい形状に形成され得る。たとえば、第１の融解された金属材料３２は、ピストン１０の下方クラウン表面１９の少なくとも一部（図２Ｂ、図２Ｃ、図２Ｄ）、および／または、リングベルト領域１７の少なくとも一部を含む側面（図２〜図２Ｄ）を形成するために形決めされ得る。第１の金属材料３２が固化され、熱絶縁性インサート２６に結合されると、絶縁性インサート２６と第１の金属材料３２との結合されたサブアセンブリは、型から除去され得る。
【００５０】
当該方法は、任意で、熱絶縁性インサート２６および／または結合された第１の金属材料３２を所望の形状まで機械加工し、その後、熱絶縁性インサート２６に結合される第１の金属材料３２をピストン１０の残りの本体部分１４に取り付けることをさらに含む。例示の実施形態は、旋盤で第２の金属材料３４のキャスト加工品を面取りすることと、絶縁性インサート２６の上部燃焼表面１６を所望の形状に機械加工することとを含む。仕上げステップは、熱絶縁性インサート２６に結合される第１の金属材料３２をピストン１０の残りの本体部分１４に取り付ける前または取り付けた後に行われ得る。
【００５１】
熱絶縁性インサート２６に結合される第１の金属材料３２にピストン１０の残りの本体部分１４を形成する第２の金属材料３４を接合するために、様々な異なる技術が用いられ得る。１つの例示の実施形態では、熱絶縁性インサート２６の基面３０に結合される第１の金属材料３２は、たとえば摩擦溶接またはハイブリッド誘導溶接などの溶接によって、残りの本体部分１４の第２の金属材料３４に接合され得る（図２〜図２Ｄ）。別の実施形態では、熱絶縁性インサート２６および第１の金属材料３２は、その周りに第２の金属材料をキャスト加工または成型することによって、残りの本体部分１４の第２の金属材料３４に接合され得る（図２Ｅ）。第１の金属材料３２は、パルスデトネーションによって、残りの本体部分１４に接合されてもよい。第１の金属材料３２と第２の金属材料３４とを互いに接合するために用いられる方法に関係なく、特にそれらが同一の金属であるときには、強固で堅牢な結合が金属材料３２，３４間に形成され、これにより高性能な現代のエンジン用途において長い有効寿命を有する強固で耐久性のあるピストン１０，１０’，１０’’，１０’’’，１０’’’’，１０’’’’’を得る。
【００５２】
本発明の多くの修正および変形が、上記の教示に照らして可能であり、請求の範囲内で特定的に記載された以外の方法で実施され得る。すべての請求項およびすべての実施形態のすべての構成は、そのような組み合わせが互いに矛盾しない限り、互いに組み合わせられ得る。
【図１】
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【図２】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図２Ｄ】
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【図２Ｅ】
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【図３】
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【図３Ａ】
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【国際調査報告】
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